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(共13张PPT)
半导体的晶格结构和结合性质
2023/3/9
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半导体的晶格结构和结合性质
（100）面上的投影
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半导体的晶格结构和结合性质
硅、锗基本物理参数
晶格常数
硅：0.543089nm
锗：0.565754nm
原子密度
硅：5.00×1022
锗：4.42×1022
共价半径
硅：0.117nm
锗：0.122nm
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半导体的晶格结构和结合性质
闪锌矿结构和混合键
与金刚石结构的区别
共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。
不同双原子复式晶格。
常见闪锌矿结构半导体材料
Ⅲ-Ⅴ族化合物
部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。
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半导体的晶格结构和结合性质
铅锌矿结构
与闪锌矿型结构相比
以正四面体结构为基础构成
具有六方对称性，而非立方对称性
共价键的离子性更强
硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等材料均可以闪锌矿型和纤锌矿型两种结构结晶
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半导体的晶格结构和结合性质
某些重要的半导体材料以氯化钠型结构结晶
如Ⅳ-Ⅵ族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅等
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半导体中的电子状态和能带
原子的能级和晶体的能带
玻耳的氢原子理论
氢原子能级公式
氢原子第一玻耳轨道半径
这两个公式还可用于类氢原子（今后用到）
意义 !
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半导体中的电子状态和能带
量子力学对玻耳理论的修正
量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方。电子的状态可用四个量子数表示。
（主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数）
能级存在简并
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半导体中的电子状态和能带
电子共有化运动
原子中的电子在原子核的势场和其它电子的作用下，分列在不同的能级上，形成所谓电子壳层
不同支壳层的电子分别用1s;2s,2p;3s,3p,3d;4s…等符号表示，每一壳层对应于确定的能量。
当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有了一定程度的交叠，相邻原子最外壳层交叠最多，内壳层交叠较少。
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半导体中的电子状态和能带
原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原于转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动
注意：各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层间转移。
共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层的交叠，如图1-5所示
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半导体中的电子状态和能带
电子共有化运动使能级分裂为能带
互相靠近时，原子中的电子除受本身原子的势场作用，还受到另一个原子势场的作用
结果每个二度简并的能级都分裂为二个彼此相距很近的能级；两个原子靠得越近，分裂得越厉害。
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半导体中的电子状态和能带
内壳层的电子，轨道交叠少，共有化运动弱，可忽略
外层的价电子，轨道交叠多，共有化运动强，能级分裂大，被视为“准自由电子”。
原来简并的N个原子的s能级，结合成晶体后分裂为N个十分靠近的能级，形成能带(允带)，因N值极大，能带被视为“准连续的”。
晶体的能带存在允带和禁带
而原子只存在分立的能级
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半导体中的电子状态和能带
硅、锗晶体的能带
硅、锗单个原子的价电子为2个s电子和2个p电子；
形成晶体后，经过轨道杂化后N个原子形成了复杂的2N个低能带和2N个高能带，4N个电子填充在低能带，又称价带；而上面的能带为空带，又称导带。两者之间为禁带。

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